Wenn ein Tatortermittler oder ein Arzt eine DNA-Probe erhält, ist oft nicht genug DNA verfügbar, um sie richtig zu analysieren. Um den körpereigenen DNA-Replikationsprozess zu simulieren, entwickelten Wissenschaftler ein Verfahren namens PCR, das wie eine Xerox-Maschine fungieren und eine Kopie nach der anderen einer DNA-Probe anfertigen kann. Es gibt viele Komponenten einer PCR-Reaktion, und Magnesiumchlorid ist eine der wichtigsten.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Magnesium wirkt wie ein Katalysator in der PCR-Reaktion – das Enzym, das zur Replikation der DNA benötigt wird, benötigt Magnesium, um zu funktionieren, und die PCR-Reaktion funktioniert nicht ohne Magnesium in der Mischung.
Den Körper nachahmen
Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wurde entwickelt, um die natürliche Art der DNA-Replikation nachzuahmen. DNA ist eine sich wiederholende Sequenz von Nukleotiden, und jedes Nukleotid enthält drei Teile. Das Rückgrat der DNA ist eine sich wiederholende Zucker- und Phosphateinheit, und an jeden Zucker ist eine stickstoffhaltige Base gebunden. Es gibt vier stickstoffhaltige Basen; Guanin, Cytosin, Adenin und Thymin. Die DNA besteht aus zwei parallel verlaufenden Zuckerphosphatsträngen, zwischen denen sich jeweils zwei stickstoffhaltige Basen befinden. Wenn sich die DNA im Körper repliziert, bricht ein Enzym namens Helikase die Bindungen zwischen den stickstoffhaltigen Basen auf. Ein zweites Enzym, DNA-Polymerase, bindet neue Nukleotide anstelle der alten. Schließlich verbindet ein drittes Enzym namens DNA-Ligase die neuen Moleküle wieder miteinander.
PCR-Reaktionskomponenten
Um DNA in einer Laborreaktion zu replizieren, müssen einige Änderungen vorgenommen werden. Anstelle von Helikase verwendet eine PCR-Reaktion einfach Wärme, um die Bindungen zwischen den stickstoffhaltigen Basen aufzubrechen. Humane DNA-Polymerase ist nicht stabil genug, um diesen Temperaturen standzuhalten. An seiner Stelle wird ein ähnliches Molekül namens Taq-Polymerase oder thermostabile Polymerase verwendet, da es den Wärmeanforderungen der PCR standhält. Außerdem erfordert eine PCR-Reaktion freie Nukleotide, einen Puffer und Magnesium.
Die Rolle von Magnesiumchlorid
Magnesiumchlorid ist die bevorzugte Methode zur Zugabe von Magnesium zu einem PCR-Experiment. Die thermostabile Polymerase erfordert die Anwesenheit von Magnesium, um während des Reaktionsprozesses als Cofaktor zu wirken. Seine Rolle ähnelt der eines Katalysators: Das Magnesium wird bei der Reaktion nicht wirklich verbraucht, aber die Reaktion kann ohne die Anwesenheit von Magnesium nicht ablaufen.
Auswirkungen von reichlich Magnesium
Je mehr Magnesium einer PCR-Reaktion zugesetzt wird, desto schneller verläuft die Reaktion. Das ist jedoch nicht unbedingt gut. Ist zu viel Magnesium vorhanden, arbeitet die DNA-Polymerase zu schnell und macht beim Kopieren oft Fehler. Dies führt dazu, dass viele verschiedene DNA-Stränge produziert werden, die nicht unbedingt die ursprünglich bereitgestellte Probe darstellen.
Auswirkungen von Magnesiummangel
Wenn Magnesium bei einer Reaktion nur begrenzt zur Verfügung steht, wird es nicht so schnell gehen, wie es sollte. Sie können versuchen, eine PCR mit 40 Zyklen durchzuführen, aber nicht die gewünschte Kopienzahl erhalten. Jeder PCR-Zyklus verdoppelt die DNA-Menge im Reagenzglas exponentiell. Während Sie also mit einem kleinen Betrag beginnen, erhalten Sie am Ende ein Vielfaches des ursprünglichen Betrags. Wenn nicht genügend Magnesium vorhanden ist, wird ein Teil der DNA-Polymerase nicht aktiviert und funktioniert nicht. Die Hitze hat jedoch die bereits vorhandene DNA zerlegt und sie wird nicht wieder zusammengefügt. Daher kann das gesamte Experiment ruiniert werden, wenn nicht genügend Magnesium vorhanden ist.